AESA

1. 개요

AESA(능동 전자 주사 배열)는 여러 개의 송수신기 모듈(TRM)을 배열하여 구성된 레이더 시스템이다. 각 모듈은 독립적인 신호를 생성하고 방사하며, 다수의 빔을 동시에 생성하고 여러 주파수에서 작동할 수 있다. AESA는 낮은 피탐지성, 높은 재밍 저항성, 다중 빔 형성, 높은 신뢰성, 빠른 빔 조향, 다기능 등의 장점을 가지며, 항공기, 지상 및 해상 시스템 등 다양한 분야에 적용된다. 하지만 높은 가격, 발열, 소비 전력 등의 한계도 존재한다.

2. 역사

벨 연구소는 1960년에 나이키 제우스 레이더를 위상 배열 시스템으로 대체할 것을 제안했으며, 1961년 6월에 개발 승인을 받았다. 그 결과는 능동형 전자 주사 배열 레이더(AESA) 시스템의 초기 모델인 제우스 다기능 배열 레이더(ZMAR)였다. ZMAR은 1963년에 제우스 프로그램이 나이키-X 시스템을 선호하게 되면서 MAR(다기능 배열 레이더)이 되었다. MAR은 각각 별도의 컴퓨터 제어 송신기 또는 수신기에 연결된 소수의 작은 안테나로 구성되어, 장거리 감지, 추적 생성, 미끼로부터 탄두 식별, 발사되는 요격 미사일 추적 등 다양한 기능을 수행할 수 있었다.

MAR은 넓은 공간에서 전체 전투를 단일 사이트에서 제어할 수 있게 했다. 각 MAR과 관련 전투 센터는 수백 개의 표적에 대한 추적을 처리했다. 그런 다음 시스템은 각 표적에 가장 적합한 포대를 선택하고 공격할 특정 표적을 넘겨주었다. 하나의 포대는 일반적으로 MAR과 연관되어 있는 반면, 다른 포대는 그 주변에 분산되어 있었다. 원격 포대에는 잠재적으로 멀리 떨어진 MAR에 보이기 전에 발사되는 스프린트 미사일을 추적하는 것이 주된 목적인 훨씬 더 단순한 레이더가 장착되었다. 이러한 더 작은 미사일 기지 레이더(MSR)는 수동적으로 스캔되어 MAR의 여러 빔 대신 단일 빔만 형성했다.

MAR은 궁극적으로 성공했지만 시스템 비용은 엄청났다. ABM 문제가 너무 복잡해져 MAR과 같은 시스템조차 현실적인 공격 시나리오를 처리할 수 없게 되자 나이키-X 개념은 MAR을 사용하지 않는 센티넬 프로그램과 같은 훨씬 더 단순한 개념을 선호하여 폐기되었다. 두 번째 예인 MAR-II는 콰잘린 환초에 그대로 폐기되었다.

소련의 첫 번째 APAR인 5N65는 S-225 ABM 시스템의 일부로 1963–1965년에 개발되었다. 1967년 시스템 개념에 대한 몇 가지 수정 후 1970–1971년에 사리 샤간 시험장에서 건설되었으며 서방에서는 플랫 트윈이라는 별명이 붙었다. 4년 후, 이 설계의 또 다른 레이더가 쿠라 시험장에 건설되었지만 S-225 시스템은 결코 가동되지 않았다.

이후 AESA 레이더는 다음과 같은 역사를 가진다.

3. 기본 개념

AESA 레이더는 다수의 소형 송수신기 모듈(TRM)을 배열하여 구성된다. 각 TRM은 송신기, 수신기, 안테나 소자, 위상 천이 장치 등을 포함한다. 각 TRM에서 송신되는 신호의 위상을 개별적으로 제어하여 빔의 방향을 조절한다. AESA는 수동 전자식 주사 배열(PESA)와 달리 각 모듈이 독립적인 신호를 생성하고 방사하여, 다수의 빔을 동시에 생성하고 여러 주파수에서 작동할 수 있다.

일본에서 개발된 AESA는 PIN 다이오드 형 반도체 위상 천이 장치를 사용하여 빠른 동작 시간을 확보하였다. 이는 패시브 방식에서 일반적인 페라이트 위상 천이 장치에 비해 허용 전력이 작지만(첨두 출력 1킬로와트 정도) 동작 시간이 빠르다는 장점을 가진다.

4. 장점

AESA는 PESA의 기능에 여러 장점을 추가한다. AESA의 주요 장점은 다음과 같다:

* 낮은 피탐지성 (LPI): AESA 레이더는 주파수 가변, 빔 확산 등 다양한 기술을 통해 레이더 경고 수신기(RWR)에 탐지될 확률을 줄인다. 이는 펄스마다 주파수를 변경하고 무작위 시퀀스를 사용하여 주파수를 변경하기 때문에 가능하다. 기존 RWR은 AESA 레이더에 대해 효과가 떨어지므로, AESA는 "요격 확률 감소 레이더"라고도 불린다.
* 높은 재밍 저항성: AESA 레이더는 주파수 변경, 광대역 확산(첩) 등의 기술을 통해 재밍 공격에 대한 높은 저항성을 가진다. 단일 펄스에서도 주파수를 광대역에 걸쳐 확산시켜 재밍을 어렵게 만든다.
* 다중 빔 형성: 여러 개의 독립적인 빔을 동시에 형성하여 탐색, 추적, 미사일 유도 등 다양한 임무를 동시에 수행할 수 있다.
* 다기능: AESA는 각 요소가 강력한 무선 수신기이므로, 레이더 기능 외에도 통신, 전자전 등 다양한 용도로 활용될 수 있다. 예를 들어, F-35는 AESA 시스템을 사용하여 항공기 간 센서 데이터를 전송, 합성 이미지를 생성한다. 2007년 테스트에서 노스롭 그루먼, 록히드 마틴, L-3 통신은 랩터의 AESA 시스템이 와이파이 액세스 포인트처럼 작동하여 초당 548메가비트의 속도로 데이터를 전송하고 기가비트 속도로 데이터를 수신할 수 있음을 보였다.
* 높은 신뢰성: 각 모듈이 독립적으로 작동하므로 일부 모듈에 고장이 발생해도 전체 시스템 성능에 미치는 영향이 적다. 또한, 모듈은 개별적으로 낮은 전력(약 40~60와트)으로 작동하므로 대형 고전압 전원 공급 장치가 필요하지 않다.
* 빠른 빔 조향: 전자적으로 빔을 조향하므로 기계식 레이더에 비해 훨씬 빠른 속도로 빔을 움직일 수 있다.
* 레이더 반사 단면적(RCS) 감소: 기계적으로 스캔되는 어레이를 고정된 AESA 마운트로 교체하면 항공기의 전체 RCS를 줄이는 데 도움이 될 수 있다. (일부 설계는 더 넓은 범위를 위해 기계적 스캔과 전자적 스캔을 결합하기도 한다.)

AESA는 소자 안테나와 위상 천이 장치 사이에 증폭 회로(송신용 증폭기, 수신용 저잡음 증폭기)를 삽입하는 액티브 방식을 사용한다. 액티브 방식에서는 안테나 소자마다 또는 수 개 단위로 송수신 모듈(T/R 모듈)을 배열하여 빔 지향 제어를 수행하고, 공간적으로 전력 합성하여 큰 송신 출력을 얻는다. 개별 안테나 소자의 송신 전력은 적어도 되므로 증폭 회로도 반도체화가 가능하여 안테나 전체의 반도체화 및 신뢰성 향상이 가능하다.

5. 한계

AESA 레이더는 요소 간 거리가 반 파장일 때 최대 빔 각도가 대략 ±45°로 제한된다. 평면 위상 배열 안테나에서 요소 간 거리가 더 짧으면 최대 시야각(FOV)은 120°(±60°)까지 가능하다. 이 한계는 기계적 조향을 통해 극복할 수 있다.

6. 응용 분야

AESA(능동 전자 주사 배열) 레이더는 지상 기반 방공 시스템, 함정 탑재 레이더, 대포병 레이더 등 다양한 분야에 활용된다.

벨 연구소는 1960년에 나이키 제우스 레이더를 위상 배열 시스템으로 대체할 것을 제안했으며, 1961년 6월에 개발 승인을 받았다. 그 결과 능동형 전자 주사 배열 레이더 시스템의 초기 예인 제우스 다기능 배열 레이더(ZMAR)가 탄생했다. ZMAR은 1963년에 MAR(다기능 배열 레이더)로 이름이 바뀌었다. MAR은 넓은 공간에서 전체 전투를 단일 사이트에서 제어할 수 있게 했다. 각 MAR과 관련 전투 센터는 수백 개의 표적에 대한 추적을 처리했으며, 각 표적에 가장 적합한 포대를 선택하고 공격할 특정 표적을 넘겨주었다. MAR은 궁극적으로 성공했지만 시스템 비용은 엄청났다. 이후 MAR을 사용하지 않는 센티넬 프로그램과 같은 더 단순한 개념이 선호되면서 MAR은 폐기되었다.

소련의 첫 번째 APAR(능동 위상 배열 레이더)인 5N65는 S-225 ABM 시스템의 일부로 1963–1965년에 개발되었다. 1970–1971년에 사리 샤간 시험장에 건설되었으며 서방에서는 플랫 트윈이라는 별명이 붙었다.

최초의 군용 지상 기반 AESA는 1995년 일본 자위대에서 완전히 가동된 J/FPS-3였다. 최초의 양산형 함정 기반 AESA는 1988년에 진수된 일본 아사기리급 구축함에 도입된 OPS-24였다.

6.1. 항공기 탑재 시스템

AESA(Active Electronically Scanned Array, 능동 전자 주사 배열) 레이더는 전투기, 조기경보기, 초계기, 무인기 등 다양한 항공기에 탑재되어 표적 탐지, 추적, 식별, 미사일 유도 등 여러 임무를 수행한다. AESA 레이더는 전자적으로 레이더 안테나를 제어하여 기존 기계식 레이더보다 표적 탐지, 추적, 식별 능력이 뛰어나다.

최초의 항공기 탑재형 양산 AESA는 1994년 칠레 공군의 보잉 707에 장착된 EL/M-2075 팔콘이었다. 전투기용 AESA는 1995년 미쓰비시 F-2에 도입된 J/APG-1이 최초이다. 미사일에 탑재된 최초의 AESA는 미쓰비시 F-2와 미쓰비시 F-15가 운용하는 AAM-4B 공대공 미사일 탐색기에 탑재되었다.

F-22, 수퍼 호넷 등 AESA 레이더의 미국 기반 제조업체는 노스롭 그러먼(Northrop Grumman), 레이시온(Raytheon) 등이 있다.

6.1.1. 주요 항공기 탑재 AESA 레이더

6.2. 지상 및 해상 시스템

AESA(능동 전자 주사 배열) 레이더는 지상 기반 방공 시스템, 함정 탑재 레이더, 대포병 레이더 등 다양한 분야에 활용된다.

벨 연구소는 1960년에 나이키 제우스 레이더를 위상 배열 시스템으로 대체할 것을 제안했으며, 1961년 6월에 개발 승인을 받았다. 그 결과 능동형 전자 주사 배열 레이더 시스템의 초기 예인 제우스 다기능 배열 레이더(ZMAR)가 탄생했다. ZMAR은 1963년에 MAR(다기능 배열 레이더)로 이름이 바뀌었다. MAR은 넓은 공간에서 전체 전투를 단일 사이트에서 제어할 수 있게 했다. 각 MAR과 관련 전투 센터는 수백 개의 표적에 대한 추적을 처리했으며, 각 표적에 가장 적합한 포대를 선택하고 공격할 특정 표적을 넘겨주었다.

MAR은 궁극적으로 성공했지만 시스템 비용은 엄청났다. 이후 MAR을 사용하지 않는 센티넬 프로그램과 같은 더 단순한 개념이 선호되면서 MAR은 폐기되었다.

소련의 첫 번째 APAR(능동 위상 배열 레이더)인 5N65는 S-225 ABM 시스템의 일부로 1963–1965년에 개발되었다. 1970–1971년에 사리 샤간 시험장에 건설되었으며 서방에서는 플랫 트윈이라는 별명이 붙었다.

최초의 군용 지상 기반 AESA는 1995년 일본 자위대에서 완전히 가동된 J/FPS-3였다. 최초의 양산형 함정 기반 AESA는 1988년에 진수된 일본 아사기리급 구축함에 도입된 OPS-24였다.

6.2.1. 주요 지상 및 해상 AESA 레이더